酯類含氧燃料組分對柴油機燃燒與排放特性的影響研究

鄔齊敏，孫 平，梅德清，李國成

（江蘇大學汽車與發動機排放研究所，江蘇 鎮 江 212013）

鑒于目前世界石油資源的過度消耗和日益嚴重的汽車尾氣排放，各國在制定嚴格的發動機排放法規的同時，也加大了對內燃機替代能源的研究力度。眾多研究表明［1－5］，含氧燃料在不調整發動機結構的前提下，能夠部分替代柴油參與燃燒，并能夠減少柴油機污染物排放，尤其能大幅度降低炭煙排放，甚至具有降低NOx排放的潛力，從而可以解決傳統柴油機NOx和PM排放控制中存在的此消彼長的矛盾。目前，針對含氧燃料中醇類、醚類和酯類燃料的研究較多。其中，酯類燃料中的生物柴油（脂肪酸單酯）和碳酸二甲酯（DMC）在某些燃料特性上優于柴油，且能與柴油以任意比例互混［6－7］，因此，這兩種酯類燃料在替代含氧燃料的研究中備受關注。

生物柴油具有較高的十六烷值，但黏度高，DMC具有較低的黏度，但十六烷值低，因此，二者互混可使各自的不足之處得以互補，并能夠充分發揮各自的含氧優勢。因此，在柴油中適量添加這兩種燃料可得到燃料特性占優的含氧燃料，并能實現發動機的性能最優，從而促進含氧燃料的大規模推廣。本研究在柴油比例不變的前提下，分別摻混生物柴油、DMC以及DMC與生物柴油的混合燃料，加上純柴油組成4種試驗燃料，并對不同含氧燃料的燃燒過程、經濟性和排放特性進行深入研究。

1 試驗裝置和方法

試驗選用186FA單缸風冷柴油機作為試驗樣機，其主要技術參數見表1，主要測試設備見表2。試驗在不調整發動機結構的前提下，選取標定功率轉速3 000r／min下100%，75%，50%，25%4個負荷作為試驗工況，依次向柴油機供給不同混合燃料，測量發動機轉速、扭矩、燃油消耗和尾氣排放等數據，并選取100%負荷下的缸內燃燒壓力、壓力升高率、放熱率進行分析，來反映不同燃料的燃燒特性差異。缸內燃燒壓力采用Dewetron燃燒分析儀進行采集，采集間隔為0.5°，每個工況連續采集200個循環并進行平均計算得到示功圖。在進行油品切換時，調節發動機至穩態工況點，讓發動機運轉足夠長的時間以消除油路中殘余燃料對試驗結果的影響，再進行試驗測量。

表1 186FA柴油機的主要性能參數

表2 主要測試設備

試驗燃料是在柴油占混合燃料體積90%的前提下，按體積比分別摻混10%生物柴油、5%生物柴油與5%DMC以及10%DMC，并與純柴油組成4種測試燃料，分別記為B10，B5D5，D10和柴油。表3示出了4種測試燃料的主要理化特性。從表3中可以看出，生物柴油和DMC添加至柴油中后混合燃料的黏度、十六烷值、低熱值基本與純柴油接近，且保留較為適量的含氧優勢。

表3 測試燃料主要理化特性

2 試驗結果與討論

2.1 燃燒特性分析

圖1和圖2示出了轉速n＝3 000r／min，pme＝0.46MPa工況下4種燃料的缸內壓力和壓力升高率曲線。發動機燃用B10，B5D5和D10后缸內壓力峰值和壓升率峰值與燃用柴油時基本接近，更換后的燃料仍與原有的燃燒系統匹配良好，未出現燃燒沖擊載荷異常狀況。受燃料十六烷值的影響，燃用B10時缸內壓力峰值和壓力升高率峰值出現位置較原機提前約1°，相反，燃用B5D5與D10缸內壓力峰值和壓升率峰值出現位置向后推遲約0.5°和1.5°。結合表2得出，4種燃料的缸內壓力峰值及壓力升高率峰值出現位置與各自十六烷值存在負的線性關系。

圖3示出了n＝3 000r／min，pme＝0.46MPa工況下4種燃料的放熱率曲線對比。由圖3可見，放熱率曲線呈現雙峰分布，第1放熱峰是由預混燃燒引起的，第2放熱峰則是由擴散燃燒引起的，且各種燃料的第2峰呈現出與其第1峰相似的變化規律，這主要與燃料十六烷值、黏度和含氧量等性質相關。對比4種燃料的2個放熱峰值可以得出，相比生物柴油這種含氧燃料，同比例的DMC可同時改善柴油機的預混和擴散燃燒。

一般認為，放熱率峰值位置主要由燃料的滯燃期決定［8］。滯燃期分為物理延遲和化學延遲兩階段，其影響因素主要取決于燃料性質、混合氣濃度及相應溫度和壓力條件。與燃用柴油相比，B10的滯燃期縮短約1°，這是由于生物柴油中直鏈正構烷烴和烯烴基團較多，碳鏈易斷裂，使化學延遲期縮短。DMC的引入則使得混合燃料滯燃期相對延長，且添加量越多，滯燃期越長。B5D5與D10的滯燃期較原機狀態延長約1°和2°。這是由于DMC中2個甲醇基共用同一羰基，結構較為穩定，難以斷裂；此外DMC的沸騰汽化吸熱減緩了燃油蒸氣與空氣混合氣的焰前反應，使化學延遲期延長。對比B10，B5D5和D10的滯燃期可得出，燃用DMC造成的著火延遲效應要比燃用同比例生物柴油造成的著火提前效應更明顯。

放熱率峰值大小則與滯燃期內的可燃混合氣數量及質量有關［8］。對含氧燃料而言，燃料中氧含量對其也會產生重要貢獻。從圖3還可看出，燃用B10后的放熱率峰值較原機降低約0.62kJ／（°），且其出現位置提前約1°。這是由于B10的滯燃期相對縮短，而生物柴油的高黏度又減緩油氣混合，滯燃期內可燃混合氣的數量減少。燃用B5D5和D10的放熱率峰值較原機分別升高約 2.29kJ／（°）和4.08kJ／（°），其出現位置也相應推遲約1°和3°。如前所述，DMC的加入減緩了B5D5和D10燃燒放熱過程的進行，而其良好的揮發性則會加速油氣混合，滯燃期內積聚的可燃混合氣數量增多，其“自攜氧”屬性促使放熱速率加快，放熱率峰值急劇升高，且隨DMC含量增多而升高。

綜合來看，含氧燃料中較多的生物柴油會使混合氣過早著火，而過多的DMC則會使混合氣燃燒相位過于推遲，相比而言，B5D5保留有生物柴油較高的著火能力、DMC較強的揮發性及適量的氧含量，因而，滯燃期較原機雖略有延長，但放熱率峰值較高，且接近上止點，能量利用率相對較高。

2.2 經濟性分析

圖4示出了發動機在n＝3 000r／min各負荷工況下4種燃料的當量燃油消耗率對比。由于生物柴油、DMC和柴油熱值相差較大，直接采用燃油消耗率來考察燃料的經濟性具有一定的局限性。因此，引入當量燃油消耗率來進行分析，其定義為

式中：Hu，b為混合燃料的熱值；Hu，d為柴油的熱值。

從圖4中可以看出，發動機燃用B5D5的當量燃油消耗率最低，而B10和D10的當量燃油消耗率與柴油相差不大。這主要是燃料黏度、含氧量和著火能力綜合作用的結果。發動機燃用B5D5時，DMC的低黏度和低沸點解決了B10黏度升高的問題，因而改善混合燃料的霧化效果；而生物柴油的高十六烷值克服了D10的低十六烷值的缺陷，因而改善混合氣的著火性能；再加上二者共有的含氧優勢，促使燃燒更迅速完善。從圖3放熱率曲線亦能看出，B5D5燃燒放熱集中且等容度較高，有助于燃燒效率提高。因此，當量燃油消耗率是燃油消耗率和有效熱效率的綜合體現。從節能的角度來說，B5D5是經濟性良好的含氧燃料，如對生物柴油和DMC在柴油中的調配比例進一步優化，具有進一步降低混合燃料燃油消耗率的潛力。

2.3 排放特性分析

圖5示出了發動機在n＝3 000r／min各負荷工況下4種燃料的NOx排放對比。柴油機NOx排放主要受高溫、富氧及高溫持續時間的影響。

由圖5可見，B10的NOx排放在中低負荷時與柴油相差無幾，而在全負荷時升高近7.9%。這是由于全負荷時缸內燃燒溫度較高，且生物柴油中氧與混合氣中氮的碰撞概率增加，NOx排放急劇升高。而B5D5和D10的NOx排放較柴油平均降低約4.5%和13.1%，這是由于DMC汽化吸熱作用和燃燒相位推遲引起的溫度降低對NOx生成的降低作用遠大于其高含氧量形成的富氧環境對NOx生成的促進作用。這些不同燃料的NOx排放也從側面反映出，與混合氣中氧含量這個因素相比，缸內燃燒溫度對于NOx的形成是更具決定性的因素。對比B10，B5D5和D10的NOx排放可以得出，燃用DMC時NOx排放的降低幅度要比燃用同比例生物柴油時NOx排放的增加幅度更顯著。

圖6示出了發動機在n＝3 000r／min各負荷工況下4種燃料的炭煙排放對比。柴油機燃用含氧燃料后煙度都有不同程度的降低，B10，B5D5和D10的煙度較原機平均降低約5.8%，10.4%和17.7%。柴油在高溫貧氧的擴散燃燒過程中會裂解生成大量的炭煙。生物柴油和DMC的引入可改善濃混合氣區的缺氧燃燒，縮短擴散燃燒期，燃油高溫裂解傾向減少。由于DMC黏度和沸點遠低于生物柴油和柴油，燃油霧化效果改善更明顯，加上其含53.3%的氧，對濃混合氣區的減少程度遠優于生物柴油，炭煙排放降低幅度更顯著。結合表2發現，燃用B10，B5D5和D10時煙度的降低情況與其自身的含氧量呈二次多項式關系。

圖7示出了發動機在n＝3 000r／min各負荷工況下4種燃料的CO排放對比。B10的CO排放較原機有所降低，而含氧燃料中DMC的加入使CO排放有所上升，這是由于中小負荷時，缸內過量空氣系數較大，含氧燃料對燃燒過程的促進作用削弱，而DMC的引入使原本較低的缸內溫度進一步降低，不利于CO的氧化。而大負荷時，缸內溫度較大，缸內過量空氣系數減小，含氧燃料的影響作用增大，CO氧化作用明顯，因而4種燃料的CO排放基本接近。

圖8示出了發動機在n＝3 000r／min各負荷工況下4種燃料的HC排放對比。柴油機HC排放主要來源于油束邊緣的極稀混合氣，受控于滯燃期的長短，而含氧燃料中氧在油束邊緣的激發狀態亦會部分影響HC生成。B10的滯燃期較原機縮短，燃油噴注與空氣混合過程中稀化程度減弱，混合氣中氧增加促使該區域燃燒完全，故燃用B10的HC排放平均降低約2.8%。而發動機燃用B5D5與D10時HC排放顯著增加，且隨DMC添加量呈線性增加關系。這是由于B5D5與D10延長的滯燃期以及DMC沸騰汽化促使混合氣向著火稀限區域發展，而DMC吸熱降溫又難以激發出燃料中氧的活性，因而對著火稀限區域內的HC氧化改善有限。對比B10，B5D5與D10的HC排放可得出，燃用DMC對著火稀限區域的影響程度遠比燃用同比例生物柴油顯著。

值得注意的是，與柴油相比，B5D5和D10兩種含氧燃料可同時降低NOx和炭煙排放，可改善傳統柴油機NOx和炭煙排放此消彼長的關系。針對“柴油是目前最適合柴油機的燃料”這一說法，B5D5這種燃料在柴油機上應用表現出來的燃燒特征和排放特性等與柴油最接近，既可實現對柴油的部分替代，還可以降低部分排放指標。

3 結論

a）小比例摻混含氧燃料對柴油機缸內壓力峰值和壓升率峰值影響不大；發動機燃用B10時放熱峰值略有降低，放熱時刻提前，而燃用B5D5和D10的放熱峰值明顯升高，放熱峰值延遲明顯；

b）發動機燃用B5D5的當量燃油消耗率最低，燃用B10和D10的當量燃油消耗率與燃用柴油時基本相當；

c）發動機燃用B10時HC，CO和炭煙排放降低，但NOx排放在全負荷時略有升高；而燃用B5D5和D10可同時降低NOx和炭煙排放，且DMC含量越多，降低幅度越明顯；

d）綜合來看，發動機燃用B5D5后燃燒效率提高，經濟性良好，NOx排放和煙度可同時降低，因而B5D5是一種性能優良的復配型含氧燃料。

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